有源光子带隙中量子点材料特性及全光开关的研究.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 有源光子带隙中量子点材料特性及全光开关的研究 姓名：李庆 申请学位级别：硕士 专业：物理电子学 指导教师：王涛 20090517 I 摘 要 近年来，光通讯技术的迅猛发展，通讯速率的大幅度提高，对网间交换节点中的 高速光开关的需求越来越迫切而各种物理机制下的全光开关由于其快速的响应速率 及良好的光学特性，越来越受到广泛的关注 在本论文中，我们提出了一种量子点材料为有源区的一维光子晶体结构偏振光开 关这种开关由于量子点材料的特性，使室温下的激子效应明显，同时采用非共振激 发下的光学斯塔克效应为驱动光开关的非线性物理机制，避免了载流子的累积效应并 实现了泵浦光脉冲时间范围内的开关响应量子点层间周期满足入射光波长的布拉格 条件，并且量子点中激子共振频率与布拉格频率相等时，这种结构显现出一维光子晶 体的特性由泵浦光引起的量子点激子频率的微小变动，就会引起此光子晶体的禁带 发生较大塌陷， 而且这一塌陷在泵浦光撤离后能够快速恢复， 具有 ps 量级的恢复时间 通过计算量子点材料的能级结构，分别讨论了单量子点及量子点群的光学特性； 利用传输矩阵法建立了光开关的数学模型，研究了这种光开关的性能参数，并与相同 周期结构的布拉格间隔量子阱型全光开关做了对比。

从理论计算看出，这种光开关室 温下的泵浦光功率较大减小，对比度明显增强，插入损耗有所减小，显示了极大的优 越性最后我们阐述了基于量子点半导体光放大器及光子晶体中马赫-则德干涉仪结构 的全光开关的物理概念，以及这种光开关的独特优势希望我们的理论研究及计算结 果对后来的实用光开关的设计及理论建模有参考意义 关键词关键词：全光开关 量子点 布拉格 光学斯塔克效应 II Abstract Recently, as the rapid development of the optical communication technology, the demand for ultrafast switches in the net nodes becomes increasingly urgent. The new all-optical switches with diverse physical mechanism have attracted more and more interests because of the fast response and nicer optical characteristics. Therefore in this article, an all-optical polarization switch was investigated which was based on the one-dimensional photonic crystal (1DPC) made of quantum dots (QDs) layers as the active region. Because of the evident exciton effect of the QDs layers in the room temperature and the optical stark effect which means pumping the exciton below the resonance, this switch is able to avoid the limitation of carrier accumulation and to response in the pump-pulse-width time. The periods of the QDs layers are Bragg-spaced which means the Bragg frequency is equal to the exciton frequency. At this time the band gap of the 1DPC will be obvious suppressed due to the small change of the exciton frequency, and rapid recovered after the pump pulse. By calculating the energy structure of QDs, we discussed the optical characteristics of the single QD and the ensemble of QDs; established the model of the all-optical switch by using the transfer matrix approach and compared the switching performance between the QDs all-optical switch and the Bragg-spaced quantum wells (BSQWs). From the calculation, we can conclude that this switch needs less pump energy and has a higher contrast ratio but a little-decreased insert loss than BSQWs in the room temperature. At last, we present the schemes for all-optical switching based on QD-SOA with PC based Mach-Zehnder interferometric. It is expected that our theory and conclusions are helpful and guidable for the designs and experiments of the future practical optical switches. Key words: All-optical switch Quantum dots Bragg Optical stark effect 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密□， 在 年解密后适用本授权书 不保密□ （请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论 1.1 引言 自 2000 年以来，随着通信业与 Internet 的再次迅猛发展，光通讯技术在广域通信 网，城域网以及接入网三个层次上正发挥着越来越核心的作用目前，40G 光传输技 术在广域网中的应用已经商业化，100G 技术也处在研发阶段。

接入网 xPON 技术近两 年的快速应用以及城域网络的 IP 化进程正是满足了从用户端而来的巨大带宽应用的需 求因此，在通信网的三层网络中的全光传输成为解决巨大带宽需求的最佳解决方案 密集波分复用（DWDM）系统成功解决了目前骨干网及城域网的 IP 数据流量的需求， 但是对于未来更高带宽（100G 及以上）的承载，又要求有更复杂的技术来满足相干探 测、偏振管理、高精度色散和非线性管理等电信需求的同时，也要实现带宽管理和更 灵活可靠的网络管理在骨干网与城域网以及城域网与接入网的交换节点上，满足网 络管理功能的同时，更重要的是能够完成超大数据流的交换光分叉复用（OADM） 功能与光交叉连接（OXC）功能的实现，是 DWDM 系统在交换节点上的必然 传统的叉分复用设备与交叉连接器采用 O-E-O 的方式， 由于电子处理速率的瓶颈， 巨大网络带宽下这种方式显得无能为力而且成本昂贵光层面上网络管理的重要性凸 显出来OADM 和 OXC 正是适应了这种需求，具有 OADM 功能的设备去除了 O-E-O 的转换步骤，能够直接在光层实现巨大流量信号的传输与路由，满足了交换节点对网 间光信号的上载与下载，即实现了数据传输格式与协议的“透明”传输。

这些功能的 实现，传统的光无源器件已经无法满足要求，性能可靠，成本可控的新型全光有源器 件，成为影响整个网络向更高速率发展的重要一环，其中包括了全光开关和光开关阵 列等重要光器件 光开关及其组成的阵列光开关是 OADM 及 OXC 中起到核心作用的器件如在从 WDM 传输到 WDM 网络的交换节点上，OXC 的交换单元即采用光开关阵列来实现 目前，光开关按照不同开关原理，可以分为机械光开关、MEMS（micro-electron- mechanical-system）光开关、热光开关、液晶光开关等[1]这些光开关的交换速率最高 处于 ms 量级其中，MEMS 光开关由于集成度高，损耗小，串扰低及高消光比等优 2 点，被广泛的应用于各种骨干网与大型交换网的解决方案中但是这种开关要满足下 一代网络（NGN）光分组交换的标准，其开关时间要达到 ns 量级的要求就无法实现 基于半导体材料及新型原理的全光开关的出现，如基于 SOA 的交叉相位调制（XPM） 、 交叉增益调制（XGM）及四波混频（FWM）等非线性光学效应的光开关等，成为实现 NGN 光分组交换的可行性方向 1.2 光开关的种类 目前，利用不同的工作原理与实现技术的光开关被广泛的提出。

不同的光开关具 有不同的优势与缺点[1] 根据原理的不同， 文献[1]罗列出了机械光开关、 MEMS 光开关、 热光开关、以及液晶光开关的特点此外，近几年国内外学者的研究中，也出现了基 于光子晶体 PC（Photonic Crystal）的 Mach-Zehnder 干涉仪（MZI）形成的光开关，以 及基于量子点材料的 SOA 光开关等新型光开关下面选择介绍上述开关 1.2.1 MEMS 光开关 MEMS 光开关通常用半导体材料制成微机械结构，基本的原理是由抛的非常光滑 的半导体材料镜面的转动，改变入射光方向，使反射光几乎无损的反射到指定的输出 端口方向这样就实现了不同速率，不同协议下光层的透明传输这种光开关的开关 速率通常在 ms 量级，具有高消光比，低插入损耗，体积小，集成度高的特点[1] 目前二维阵列 MEMS 光开关技术较为成熟，广泛应用于 OXC 和 OADM较为常 见的是 4×4、8×8、16×16 的 MEMS，其插入损耗小于 10dB，开关时间通常为几十个毫 秒； 朗讯公司也已经研制出上千端口数的二维MEMS， 其单端口传送容量可达1.6Tbit/s， 具有严格无阻塞特性，使这种光开关的交换总容量达到新的量级。

三维 MEMS 的镜面 可以向任意方向偏转的特点，可能使其成为大型交换连接的一种选择但是其镜面的 位置、偏转角等的控制要非常精确，工艺的复杂度要求更高 1.2.2 液晶光开关 液晶具有特殊的光学特性，其电光系数是铌酸锂材料的上百万倍根据这个特性， 可以更有效的通过改变电压来改变液晶的折射率目前的液晶型光开关的机理是基于 对光的偏振态的控制[1]：进入液晶材料前，信号。